DE2503850A1 - WAVE CONDUCTOR ANTENNA WITH APERTURE SWITCH - Google Patents
WAVE CONDUCTOR ANTENNA WITH APERTURE SWITCHInfo
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Description
Patentanwalt ·Patent attorney
Dipl.-Phys.Leo ThulDipl.-Phys. Leo Thul
7 Stuttgart 30 25038507 Stuttgart 30 2503850
Kurze Straße 8 fcv.vv.vy.vShort street 8 fcv.vv.vy.v
G.F.Craven-29G.F. Craven-29
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORKINTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Hohlleiterantenne mit Aperturschalter.Waveguide antenna with aperture switch.
Die Erfindung betrifft eine aus mehreren Einzelstrahlern bestehende Sende— oder Empfanosantenne, bei der die Einzelstrahler nacheinander angeschaltet und die nichtbenutzten ' Einzelstrahler bezüglich des Funkfeldes unwirksam geschaltet werden.The invention relates to one consisting of several individual radiators Transmitting or receiving antenna, in which the individual radiators are switched on one after the other and the unused ' Individual radiators are switched ineffective with regard to the radio field.
Derartige Antennen werden benötigt, z.B. für Doppler-Lande-^ systeme, wie sie in der DT-PS 1 249 361 beschrieben sind oder für Landesysteme gemäß der DT-AS 2 230 630, die mit sogenannten virtuellen Diagrammen arbeiten.Such antennas are required, e.g. for Doppler landing ^ systems as described in DT-PS 1 249 361 or for landing systems in accordance with DT-AS 2 230 630, which with so-called virtual diagrams work.
Kg/Scho
16.1.1975Kg / lap
January 16, 1975
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Bei diesen Antennen, deren Einzelelemente nacheinander benutzt v/erden, ist dafür zu sorgen, daß die nicht angeschalteten Elemente nicht mit dem anaeschalteten ' Element verkoppelt sind, damit keine unerwünsehte Sekundärstrahlung entsteht. Dieses Problem tritt besonders bei den Antennen auf, deren Einzelstrahler eng benachbart liegen, z.B. im Abstand von weniger als der Wellenlänge λ. Versuche, die gegenseitige Entkopplung benachbarter Strahler durch Maßnahmen, die die Einspeisung betreffen, zu gewährleisten, waren nicht zufriedenstellend. Vor allem bei Antennen, deren Einzelstrahler Hohlleiter sind, war die Entkopplung nicht ausreichend, insbesondere nicht breitbandig genua.With these antennas, the individual elements of which are used one after the other, it must be ensured that they are not switched on elements not with the switched on ' Element are coupled so that there are no undesired secondary radiation arises. This problem occurs particularly with the antennas whose individual radiators are closely spaced e.g. at a distance of less than the wavelength λ. Attempts to decouple neighboring Ensuring emitters through measures that affect the feed were not satisfactory. Especially with antennas whose individual radiators are waveguides, the decoupling was not sufficient, especially not broadband genoa.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung für Hohlleiterantennen anzugeben, die die nicht anaeschalteten Hohlleiterstrahler unwirksam steuert und die für hohe Schaltgeschwindigkeiten aeeignet ist.It is therefore the object of the invention to provide a circuit arrangement for waveguide antennas that does not connect them Waveguide emitter controls ineffective and which is suitable for high switching speeds.
Die Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen anqeaebenen Mitteln gelöst.The task is with the anqeaebenen in the claims Funds resolved.
Da als Schaltelemente PIN-Dioden verwendet werden, sei nun zunächst auf deren Eigenschaften eingegangen.Since PIN diodes are used as switching elements, be now first discussed their properties.
Das Aufkommen der PIN-Dioden etwa in den letzten zehn Jahren hat eine wichtige neue Möglichkeit gezeigt, bei Mikrowellenfrequenzen schnell und verlustarm schalten zu können.The advent of the PIN diodes roughly in the last decade has shown an important new possibility at To be able to switch microwave frequencies quickly and with little loss.
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So kann die Hochfrequenzimpedanz einer Diode liber einen Bereich von mehr als 10 000 : 1 (10 000 Ω - 0,5 Ω) geschaltet werden, indem man von einer Sperrverspannung von einem oder zwei Volt auf eine Durchlaß-Vorspannuncr mit einem Flußstrom von 0,1 A übergeht.So the high frequency impedance of a diode can be reduced by a Range in excess of 10 000: 1 (10 000 Ω - 0.5 Ω) can be switched by removing a reverse voltage from one or two volts to a forward bias voltage passes with a flow current of 0.1 A.
Diese Charakteristik ist bereits mit Vorteil für Mikro-V7ellen auf Koaxialleitungen und "Microstrip-Leitungen" verwendet worden, bei denen es wegen der relativ kleinen Querabmessungen dieser Leitungssysteme möglich ist, die eigentlichen Klemmen-Impedanzx'/erte der PIN-Dioden auszunutzen. In Hohlleitern ist das Problem grundsätzlich weitaus schwieriger und verlangt eine cranz andere Behandlung. This characteristic is already advantageous for micro-V7elles on coaxial lines and "microstrip lines" where it is because of the relatively small size Transverse dimensions of these line systems is possible to use the actual terminal impedance x '/ erte of the PIN diodes. In waveguides, the problem is fundamentally much more difficult and requires a different treatment.
Dies zeigt der nachstehende Beschreibungsteil, in dem die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert wird.This is shown in the following part of the description in which the invention is explained in more detail with reference to the figures, for example.
Es zeigen:Show it:
Fig.1 einen Hohlleiter mit einer PIN-Diode; . -1 shows a waveguide with a PIN diode; . -
Fig.2 eine leitende PIN-Diode in einem Hohlleiter;2 shows a conductive PIN diode in a waveguide;
Fig.3 das Ersatzschaltbild zu Fig.2;FIG. 3 the equivalent circuit diagram for FIG. 2;
Fig.4 eine nichtleitende PIN-Diode in einem Hohlleiter;4 shows a non-conductive PIN diode in a waveguide;
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Fig.5 das Ersatzschaltbild zu Fig.4;FIG. 5 shows the equivalent circuit diagram for FIG. 4;
Fig.6 einen Hohlleiter-Antennenstrahler, der unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird und einen Aperturschalter hat.Fig. 6 a waveguide antenna radiator, the underneath its cut-off frequency is operated and has an aperture switch.
Fig.7 einen Hohlleiter mit einem Hindernis und einer zusätzlichen Kapazität;7 shows a waveguide with an obstacle and a additional capacity;
Fig.8 im Smith-Diagramm den Scheinleitwert eines strahlenden Elements mit der Anordnung nach Fig.7 in der Apertur;Fig. 8 in the Smith diagram the admittance of a radiating Element with the arrangement according to Figure 7 in the aperture;
Fig.9 einen Hohlleiterschalter nit zwei Dioden;9 shows a waveguide switch with two diodes;
Fig.10 und Fig.11Fig. 10 and Fig. 11
das Ersatzschaltbild des Schalters aus Fig.Q im eingeschalteten bzw. ausgeschalteten Zustand;the equivalent circuit diagram of the switch from Fig.Q in the switched-on or switched-off state;
Fig.12 im Smith-Diagramm den Scheinleitwert des Schalters nach Fig.9;Fig. 12 shows the admittance of the switch in the Smith diagram according to Figure 9;
Fig.13 eine abgeänderte Form des Hohlleiterschalters mit zwei Dioden;13 shows a modified form of the waveguide switch with two diodes;
Fig.14 das vollständige Ersatzschaltbild des Diodenschalters; 14 shows the complete equivalent circuit diagram of the diode switch;
Fig.15 und 16Fig. 15 and 16
die aus Fig.14 abgeleiteten Ersatzschaltbilder bei geschlossenem und bei geöffnetem Schalter;the equivalent circuit diagrams derived from FIG. 14 with the switch closed and with the switch open;
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Fig.17 und 18Fig. 17 and 18
die Funktion eines Transformators;the function of a transformer;
Fig.19 einen mehrstufigen Schalter in einem Hohlleiter, der oberhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird;Fig. 19 a multi-stage switch in a waveguide, which is operated above its cutoff frequency;
Fig.20 eine Kettenglied-Darstellung eines mehrstufigen Schalters;20 shows a chain link representation of a multi-stage Switch;
Fig.21 einen mehrstufigen Schalter in einem Hohlleiter, der unterhalb seiner Grenzfreauenz betrieben wird.Fig. 21 a multi-stage switch in a waveguide, which is operated below its Grenzfreauenz.
Das Grundproblem beim Einsatz von PIN-Dioden in Hohlleitern läßt sich anhand des folgenden· Beispiels aufzeigen.The basic problem when using PIN diodes in waveguides can be shown using the following example.
Wenn eine PIN-Diode der genannten Art in den Längszweig einer Übertragungsleitung eingefügt wird, die beispielsweise einen Wellenwiderstand Z von 100 Ω hat, so bewirkt ihr Scheinwiderstand im leitenden Zustand (0,5 Ω j einen sehr geringen Übertragungsverlust, ihr Scheinwiderstand im nichtleitenden Zustand (10 000 Ω) dagegen fast eine Totalreflexion. Wenn man jedoch eine PIN-Diode 1 (Fig.1) in einem Hohlleiter 2 im Zentrum des Hohlleiters anordnet, indem man sie zwischen die breiten Seitenflächen schaltet, (die Parallelschaltung ist bei Hohlleitern oeeigneter als die Reihenschaltung) so bildet sie im leitenden Zustand ein Hindernis, das einem induktiven Stab sehr nahe komnt (3, Fig.2). Dieser Stab entspricht in seinen Abmessungen den die gegenüberliegenden Seitenflächen verbindenden Anschlußdrahten der PIN-Diode und repräsentiert eine Induktivität Lc(Fia.3).If a PIN diode of the type mentioned is inserted in the series branch of a transmission line, which has a characteristic impedance Z of 100 Ω, for example, its impedance in the conductive state (0.5 Ω j causes a very low transmission loss, its impedance in the non-conductive state ( 10 000 Ω), on the other hand, almost total reflection. However, if a PIN diode 1 (Fig. 1) is arranged in a waveguide 2 in the center of the waveguide by connecting it between the wide side surfaces (parallel connection is more suitable for waveguides than the Series connection) it forms an obstacle in the conductive state that comes very close to an inductive rod (3, FIG. 2). This rod corresponds in its dimensions to the connecting wires of the PIN diode connecting the opposite side surfaces and represents an inductance L c (FIG .3).
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Für einen Draht mit dem Durchmesser von 0,5 mm und eine Hohlleiterweite von 7,5 cm erhält man also einen normierten Blindwiderstand X/Z von Χ/Ζ τ& 1.For a wire with a diameter of 0.5 mm and a waveguide width of 7.5 cm, a standardized reactance X / Z of Χ / Ζ τ & 1 is obtained.
Im Nebenschluß mit einem angepaßten Hohlleiter würde dies ein Stehwellenverhältnis von nur etwa 3:1 ergeben. Dies muß gegenüber dem Wert von 200:1 gesehen werden, den man beim erwähnten Beispiel einer fiber tr agungs leitung erhalten würde. Die große Diskrepanz zwischen diesen Ergebnissen hat ihren Grund in der bekannten Tatsache, daß einfache Widerstandsbetrachtungen nicht gültig sind für die Berechnung des Scheinwiderstandes von Leiteranordnungen in einem Hohlleiter. Der normierte Blindwiderstand des betrachteten Hindernisses ist in erster linie durch das Verhältnis d/a (d=Durchmesser, a=Hohlleiterweite) bestimmt. Ein crrößerer Hohlleiter, der für tiefere Frequenzen geeignet ist, ergibt mit der gleichen Diode einen größeren Wert von X/Z und infolaedessen ein noch kleineres Stehv/ellenverhältnis (d.h. schlechteres Schaltverhältnis) . Diese Erscheinung ist also eine Fraae der relativen Abmessungen und nicht der Betriebsfreauenzen des Hohlleiters.When shunted with an adapted waveguide, this would result in a standing wave ratio of only about 3: 1. this must be seen against the value of 200: 1 that is found in the example of a transmission line mentioned would receive. The large discrepancy between these results is due to the well-known fact that simple resistance considerations are not valid for the calculation of the impedance of conductor arrangements in a waveguide. The normalized reactance of the obstacle under consideration is primarily by the ratio d / a (d = diameter, a = waveguide width) certainly. A larger waveguide, which is suitable for lower frequencies, results in the same diode a larger value of X / Z and consequently an even smaller standing ratio (i.e. worse switching ratio) . This phenomenon is therefore a matter of the relative dimensions and not of the operational freeness of the Waveguide.
Fig.4 zeigt eine erste Näherung für den Fall einer nichtleitenden Diode. Obwohl dies als kapazitiver Stab bekannt ist, ist die Darstellung nur richtig, wenn die Stabteile nicht tief in den Hohlleiter eindrinoen. Für größere Eindringtiefen kann das Hindernis eine Serienresonanz4 shows a first approximation for the case of a non-conductive Diode. Although this is known as a capacitive rod, the representation is only correct if the rod parts do not penetrate deep into the waveguide. For greater penetration depths, the obstacle can have a series resonance
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bewirken und bedeutet dann effektiv einer Kurzschluß des Hohlleiters. Das Ersatzschaltbild eines solchen Hindernisses ist daher das in Fig.5 gezeigte. Es ist klar, daß der Scheinwiderstand dieses Kreises sehr niedrig werden kann, er könnte sogar niedriger sein als die Werte, die bei leitender Diode, erreichbar sind. Dies veranschaulicht die grundlegenden Probleme von Dioden-Hohlleiterschaltern und liefert zugleich aber auch einen wesentlichen Hinweis zur Lösung des Problems.cause and then effectively means a short circuit of the Waveguide. The equivalent circuit diagram of such an obstacle is therefore that shown in FIG. It's clear, that the impedance of this circuit can be very low, it could even be lower than that Values that can be achieved with a conductive diode. This illustrates the basic problems of diode waveguide switches and at the same time it provides an essential clue for solving the problem.
Es sei betont, daß die vorliegende Lösuna ganz allgemein für Hohlleiterschalter gilt, auch wenn das Problem des Schaltens mittels einer PIN-Diode hauptsächlich im Hinblick auf eine Anwenduna als Antennen-Hohlleiterschalter erläutert wird.It should be emphasized that the present solution is quite general applies to waveguide switches, even if the problem of the Switching by means of a PIN diode mainly with a view to being used as an antenna waveguide switch is explained.
Ein einzelner Hohlleiterstrahler einer Hohlleiterantenne, der im allgemeinen in dieser Beschreibung betrachtet wird, ist in Fig.6 gezeigt. Er enthält ein Stück 10 eines Hohlleiters, der unterhalb seiner Grenzfrecmenz betrieben wird, mit einem Koaxialeinaanct 11 und einer dielektrischen Platte 12 (kapazitive Belastung) in der Apertur, welche sich in einer leitenden Platte 13 be- " findet. Ein derartiger Hohlleiterstrahler ist z.B. aus der DT-OS 2 328 632 bekannt. Der Schalter 14 ist ebenfalls in der Aperturebene angeordnet.A single waveguide radiator of a waveguide antenna, generally considered in this specification is shown in FIG. It contains a piece of 10 of a waveguide, which is below its Grenzfrecmenz is operated, with a Koaxialeinaanct 11 and one dielectric plate 12 (capacitive loading) in the Aperture, which is located in a conductive plate 13 " finds. Such a waveguide radiator is known from DT-OS 2 328 632, for example. The switch 14 is also arranged in the aperture plane.
Wie bereits dargestellt, sind die Bauelementeigenschaften der PIN-Diode selbst (d.h. bei mechanisch kürzestmöglicher Länge der 7Vnschlußdrahte) nahezu ideal, besonders beiAs already shown, the component properties of the PIN diode itself (i.e. mechanically shortest possible Length of the connecting wires) almost ideal, especially with
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niedrigen Mikrowellenfreauenzen. Daher lassen sich die Grundprinzipien des Schalters anhand der vereinfachten Ersatzschaltbilder (Fig.3, Fig.5) der Diode im Hohlleiter beschreiben. Das diesen beiden Ersatzschaltbildern gemeinsame Element ist die Induktivität L .low microwave frequencies. Therefore, the basic principles of the switch can be simplified using the Describe equivalent circuit diagrams (Fig. 3, Fig. 5) of the diode in the waveguide. That of these two equivalent circuit diagrams common element is the inductance L.
In "Lewin, L., Advanced Theory of Waveguides", Iliffe, 1951" ist ganz grob gezeigt, daß bei gleichen .Abmessungen des HirLdernisses in beiden Fällen auch der Wert L- derIn "Lewin, L., Advanced Theory of Waveguides", Iliffe, 1951 "it is shown very roughly that, given the same dimensions of the HirLderniss, in both cases the value L-
Induktivität in beiden Ersatzschaltbildern gleich ist, wobei die Elemente dieser Schaltbilder als konzentrierte Elemente zu betrachten sind. Dies wird später beim genaueren Verständnis wichtig. Zunächst wird aus Fig.5 klar, daß durch Wahl des geeigneten Wertes von C die Resonanzbedingung für den aus L · und C gebildeten Kreis bei jeder Frequenz hergestellt werden kann. Dies erfordert im allgemeinen einen Kondensator, der zur natürlichen Kapazität parallelgeschaltet wird, die sich auf dem in der Leitungslücke in Fig.4 entstehenden elektrischen Feld eraibt. Die Ergebnisse, die man für zwei Werte der ZusatzkaDazität CInductance is the same in both equivalent circuit diagrams, with the elements of these circuit diagrams as concentrated Elements to be considered. This will become important later when you understand it more precisely. First it becomes clear from Fig. 5, that by choosing the appropriate value of C the resonance condition for the circle formed from L · and C for each Frequency can be established. This generally requires a capacitor that is natural capacitance connected in parallel, which arises on the electric field arising in the line gap in Fig. 4. the Results that can be obtained for two values of the additional capacitance C
erhält, nämlich für 0,5 pF und 1,OpF und mit einem Hindernis, wie es in Fig.7 gezeigt ist, sind in der Fig.8 dargestellt. Diese zeigt im Smith-Diagramm die Kurven des Eingangsscheinleitwertes eines normalen strahlenden Elements mit diesem zusätzlichen Schaltkreis in seiner Apertur. Zur Vollständigkeit ist eine genauere Erklärung der Meßbedingungen notwendig, die später auch gegeben wird, aber zunächst mag der hohe Betrarr des Reflexionsfaktors über ein breites Freauenzband als Zeichen für denreceives, namely for 0.5 pF and 1, OpF and with an obstacle, as shown in Fig.7, in Fig.8 shown. In the Smith diagram, this shows the curves of the input admittance value of a normal radiating one Element with this additional circuit in its aperture. For completeness is a more detailed explanation the measurement conditions are necessary, which will also be given later, but first of all the high amount of the reflection factor may be over a wide band of joy as a sign of the
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Breitbandcharakter des Kurzschlusses gelten. Dieses Ergebnis ist auf die Wahl eines dicken kapazitiven Stabes 4 (als Stufenleiter realisiert) als Anschluß für die PIN-Diode im Hohlleiter zurückzuführen. Dadurch ergibt sich ein kleiner Wert von L und es ist also ein relativ großer Wert von C erforderlich, um die Pvesonanzbedingung zu erfüllen, so daß.der ganze Kreis die gewünschte Eigenschaft eines kleinen I/C-Verhältnisses hat. .Broadband character of the short circuit apply. This result is due to the choice of a thick capacitive rod 4 (as Stepped ladder realized) as a connection for the PIN diode in the waveguide. This results in a small value of L and therefore a relatively large value of C is required to meet the resonance condition, so that the whole circle has the desired property of a small I / C ratio. .
Fig.9 zeigt eine Realisierung dieses Schaltungsprinzips bei einem Hohlleiter-Aperturschalter für ein einstufiges Antennenelement, das unterhalb seiner Grenzfreauenz im Frequenzbereich von 0,962 - 1,213 GHz betrieben wird. Der Schalter enthält zwei PIN-Dioden 1a und 1b, die jeweils zwischen konzentrierte Kondensatoren 15 aeschaltet sind, deren Kapazität 1,4 r>F beträct. Die Verwendung von zwei Dioden hat keine besondere Bedeutuncr, jedoch den· Vorteil, daß die Symmetrie der Apertur erhalten bleibt. Die Kondensatoren 15 sind in Streifenleituncrstechnik durch Kupferbeschichtung einerPolytetrafluoräthylen-Glasfaserplatte hergestellt. Die unteren Beläcre 16 dieser Streifenleiterkondensatoren liegen auf der dielektrischen Platte 12 auf und haben mit den Hohlleiterwänden direkten Kontakt. Die PIN-Dioden 1a und 1b liegen zwischen den oberen leitenden Belägen 17 der einzelnen Streifenleiter-Kondensatoren. Die HF-Drosseln L dienen zur Zuführung des Steuer-Gleichstromes für die Dioden 1a und 1b.9 shows an implementation of this circuit principle in the case of a waveguide aperture switch for a single-stage antenna element that is below its Grenzfreauenz im Frequency range from 0.962 - 1.213 GHz is operated. The switch contains two PIN diodes 1a and 1b, respectively between concentrated capacitors 15 are switched, the capacitance of which is 1.4 r> F. The usage of two diodes is of no particular importance, but has the advantage that the symmetry of the aperture is retained. The capacitors 15 are made in strip line technology Copper coating of a polytetrafluoroethylene glass fiber board manufactured. The lower Beläcre 16 of these stripline capacitors lie on the dielectric plate 12 and have direct contact with the waveguide walls. The PIN diodes 1a and 1b are between the upper conductive ones Deposits 17 of the individual strip line capacitors. The HF chokes L are used to supply the control direct current for diodes 1a and 1b.
Die Ersatzschaltbilder, die man bei leitenden Dioden und bei nichtleitenden Dioden erhält, sind in Fig.10 bzw.The equivalent circuit diagrams obtained with conductive diodes and non-conductive diodes are shown in Fig. 10 and
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• Fig.11 gezeigt. Die Darstellung der Diode im leitenden Zustand als Kurzschluß ist eine gewisse Idealisieruno, ebenso die Darstellung der nichtleitenden Diode als vollständige Unterbrechung des Kreises. Jedoch zeigt die Betrachtung der bei diesen beiden Zuständen gemessenen Ergebnisse {Fig.12, Kurve A bei leitenden und Kurve B bei nichtleitenden Dioden), daß diese Annahmen zulässio waren. Außerdem zeigt dies die ausgezeichneten Eigenschaften von PIN-Dioden bei diesen Anwendungen. Die Scheinleitwertmessungen erfolaten am koaxialen Eingangsanschluß des Antennenelements. Diese Ebene ist zur Messung der Eingangsspannung gut creeianet, verursacht aber eine große Phasenänderung in der Scheinleitwertscharakteristik des Aperturschalters. Es ist realistischer, die Bezuasebene der Scheinleitwertscharakteristik in die Apertur zu legen. Dies erfordert eine Scheinleitwertsdarstelluna mit einem echten Kurzschluß (Metallplatte oder Metallstreifen) in der Apertur. Die dazugehörigen Meßpunkte sind in der Fig.12-mit S.C. bezeichnet. Durch.Veraleich von Punkten der Scheinleitwertskurve in Fig.12 mit entsprechenden Punkten SC des Kurzschlusses läßt sich die wahre Phasenverschiebung bestimmen. In Fig.12 fallen die beiden Punkte bei 1040 HHz zusammen. Dies ist daher die Pesonanzfreauenz (L C) des Aperturschalters.• Fig.11 shown. The representation of the diode in the conductive The condition as a short circuit is a certain idealization, as is the representation of the non-conductive diode as complete Interruption of the circle. However, the observation of the measured in these two conditions shows Results {Fig.12, curve A for conductive and curve B in the case of non-conductive diodes) that these assumptions were permissible. It also shows the excellent properties of PIN diodes in these applications. The admittance measurements are made at the coaxial input connection of the antenna element. This level is good creeianet for measuring the input voltage, but causes one large phase change in the admittance characteristic of the aperture switch. It's more realistic, the Bezuas level the admittance characteristic in the aperture. This requires a display of admittance values with a real short circuit (metal plate or metal strip) in the aperture. The associated measuring points are in Fig.12 - with S.C. designated. By.comparison of Points of the admittance curve in Fig. 12 with corresponding points SC of the short circuit can be used to determine the true phase shift determine. In Fig. 12 the two points coincide at 1040 HHz. This is therefore the freedom of people (L C) of the aperture switch.
Die Phasenverschiebung bei anderen Freauenzen ist qerina. -The phase shift in other frances is qerina. -
Fig.13 zeigt die Draufsicht auf die Anertur eines Hohlleiterstrahlers mit Aperturschalter. Wie in Fig.9 enthältFig. 13 shows the top view of the anertur of a waveguide radiator with aperture switch. As included in Fig.9
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der Aperturschalter zwei PIN-Dioden. Diese befinden sich auf der Oberseite zweier Platten 20a, 20b aus Polytetrafluoräthylen-Glasfaser, die wiederum als Träger von Streifenleitern dienen. Jede PIN-Diode 1a, 1b ist zwischen die oberen Beläge der Kondensatoren 15 geschaltet. Die entsprechenden unteren Beläge sind Teile der metallischen Unterschicht der Glasfaserplatten 20a, 20b. unmittelbar dahinter sitzt in einer Aussparung des Hohlleiterrandes die dielektrische Platte 12. Der Rand dieser Platte 12, die auch als kapazitives Diaphragma bezeichnet werden kann, ist durch strichpunktierte Linien angedeutet und entspricht dem Rand in Fig.9. Die Glasfaserplatten sind mit dem oberen und unteren metallischen Rand 21 des Hohlleiters verschraubt. Damit.wird sowohl die leitende Verbindung der unteren Platten der Kondensatoren mit den Hohlleiterwänden als auch die feste Kalteruna des dahinterliegenden Diaphraomas 12 erreicht. Die Unterseiten der Glasfaserplatten 20a, 20b sind nur im gestrichelt gezeichneten Bereich metallisch beschichtet. Die in Fig.9 gezeigten Hochfrequenzdrosseln L sind durch hochohmige Viertelv/ellenleitungen 18 und Abblockkondensatoren 19 in Streifenleitungstechnik ersetzt. Die Steuereingänge 22 liegen an den oberen Platten der Abblockkondensatoren 19.the aperture switch has two PIN diodes. These are located on the top of two plates 20a, 20b made of polytetrafluoroethylene glass fiber, which in turn serve as a carrier for strip conductors. Each PIN diode 1a, 1b is between the upper pads of the capacitors 15 are switched. The corresponding lower coverings are parts of the metallic ones Lower layer of the fiberglass panels 20a, 20b. right away behind it sits in a recess of the waveguide edge the dielectric plate 12. The edge of this plate 12, which can also be referred to as a capacitive diaphragm is indicated by dash-dotted lines and corresponds to the edge in Fig. 9. The fiberglass plates are with the upper and lower metallic edge 21 of the waveguide screwed. So that both the conductive connection of the lower plates of the capacitors with the waveguide walls as well as the solid Kalteruna des Diaphraomas 12 behind it reached. The undersides the fiberglass plates 20a, 20b are coated with metal only in the area shown in dashed lines. The high-frequency chokes L shown in FIG. 9 are made up of high-resistance quarter-wave lines 18 and blocking capacitors 19 replaced in stripline technology. The control inputs 22 lie on the upper plates of the blocking capacitors 19.
Wie in Fig.9 erfolgt der Anschluß so, daß die PIN-Dioden und die oberen Beläge der Kondensatoren 15 hintereinandergeschaltet sind. Diese Anschlußleitungen sind jedoch in Fig.13 nicht gezeigt.As in Fig.9, the connection is made so that the PIN diodes and the upper plates of the capacitors 15 connected in series are. However, these connecting lines are not shown in FIG.
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Die in Fig.12j Kurve B gezeigte Impedanzkurve kann durch weiterführende Methoden der Anpassuna breitbandiger aemacht werden, jedoch kann dies an anderer Stelle im Antennenelement erfolgen und ist daher für die Erfindung nicht wesentlich.The impedance curve shown in Fig.12j curve B can be through Further methods of adaptation are made more broadly are, however, this can be done elsewhere in the antenna element and is therefore not for the invention essential.
Wenn die bisher betrachteten Ersatzschaltbilder auch etwas idealisiert sind, so sind sie doch gut genua, die Wirkungsweise des Schalters zu erklären. Man kann jedoch zu einem genaueren Ersatzschaltbild kommen, wenn man das Ersatzschaltbild des Herstellers für. die PIN-Diode in den vollständigen Schalter einführt, v/ie durch das gestrichelte Rechteck in Fig. 14' aezeigt.Even if the equivalent circuit diagrams considered so far are somewhat idealized, they are good genoa, explain how the switch works. However, one can come to a more precise equivalent circuit diagram, if you look at the manufacturer's equivalent circuit diagram for. introduces the PIN diode into the complete switch, v / ie indicated by the dashed rectangle in Fig. 14 '.
Darin ist L die Induktivität der PIN-Diode, R ihr P ' ■ sHere L is the inductance of the PIN diode, R is its P '■ s
Serienwiderstand, C ihre Gehäusekapazität und C_Series resistance, C your case capacitance and C_
po Ipo I
und R* ihre Arbeitskapazität bzw. Arbeitswiderstand.and R * their work capacity and work resistance, respectively.
Diese Schaltung kann dann auf zwei Formen, gebracht werden, die für den leitenden bzw. den nichtleitenden Zustand gelten. Wenn man den maximalen Vorstrom in Flußrichtung (»0,1 A) annimmt, so beträgt der Diodenscheinwiderstand weniger als ein Ohm, d.h.This circuit can then be brought to two forms, which apply to the conductive or the non-conductive state. If you get the maximum bias current in the direction of flow (»0.1 A), the diode resistance is less than one ohm, i.e.
VLS| ' - PLP + Rs + P1 I
XT„ ist der Blindwiderstand eines leitenden Stabes im Hohl- V LS | '- PLP + R s + P 1 I.
X T "is the reactance of a conductive rod in the hollow
leiter, der so groß ist, daß er die Wirkuna eines einfachen Diodenschalters aufhebt. Wenn dies der Fall ist, so vereinfacht sich das Ersatzschaltbild, auf die in Fig.15 gezeigte Form.leader who is so great that he has the effect of a simple The diode switch. If this is the case, the equivalent circuit diagram to which in Shape shown in Fig.15.
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G.F.Craven-29G.F. Craven-29
Unter Sperrspannung der Diode ist R..MO 000 'Q, X _ ist auch relativ groß, sodaß X _ und R vernachlässigt werden können. Das Ersatzschaltbild reduziert sich dann auf das in Fig.16 gezeigte.With reverse voltage of the diode, R..MO 000 'Q, X _ is also relatively large, so that X _ and R can be neglected. The equivalent circuit is then reduced to that shown in FIG.
Wenn man die Bilder 15 und 16, die die Diode in ihren zvrei Zuständen repräsentieren, vergleicht, handelt es sich jeweils um Serienresonanzkreise, einmal mit einer Reihen- und einmal mit einer Nebenschlußdämpfunn. Der Unterschied liegt in den relativen Größen von C und C ; C ist so gewählt, daß mit L die Resonanzbedingung erfüllt ist und so der gewünschte Kurzschluß entsteht. C ist eine parasitäre Kapazität, die im Idealfall gleich null wäre. Daher wird einer der Gründe, L klein zuIf one compares the pictures 15 and 16, which represent the diode in its two states, it is a question of series resonance circuits, one with a series and one with a shunt damping. The difference lies in the relative sizes of C and C ; C is selected in such a way that the resonance condition is fulfilled with L and the desired short circuit occurs. C is a parasitic capacitance that would ideally be zero. Hence, one of the reasons L becomes small
machen (breite Leiterbahn anstelle eines dünnen Stabes), deutlich: Bei kleinem I» ist ein großer Wert von C notwendig, um ein gegebenes Produkt L C zu bilden. Die Serienresonanzfrequenz der in Fig.16 gezeigten Schaltung ist durch das Produkt L C oeaeben. Dadurch nimmt dasmake it clear (wide conductor instead of a thin rod): With a small I »a large value of C is necessary, to form a given product L C. The series resonance frequency of the circuit shown in Figure 16 is oeebened by the product L C. This takes that
SDSD
Verhältnis der Serienresonanzfreauenzen von Fig.15 und Fig.16, die die Wirksamkeit des Schalters bestimmen, einen aroßen Wert an.Relationship of the series resonance frequencies of Fig. 15 and Fig. 16, which determine the effectiveness of the switch, of great value.
Die Funktion des in Fig.17 gezeigten Übertraqers ist auf diese Eigenschaften abgestimmt. Er wird physikalisch repräsentiert durch die Positionierung der Diode in der Apertur. Der Scheinleitwert des in Fig.16 gezeigten Kreises stellt bei der Betriebsfrequenz (nichtleitende Diode) einen kapazitiven Blindleitwert dar (geht bei endlicher Freauenz aeaen unendlich.The function of the transformer shown in Fig.17 is on matched these properties. It is represented physically by the positioning of the diode in the Aperture. The admittance of the circle shown in Fig. 16 represents the operating frequency (non-conductive Diode) represents a capacitive susceptance value (goes infinitely with finite friency aeaen.
509833/0610509833/0610
G.F.Craven-29G.F. Craven-29
Dies beeinträchtigt die Bandbreite. Durch creeianete des Übertragungsverhältnisses kann dieser Effekt auf' Kosten einer geringeren Wirksamkeit des Kurzschlusses^ vermindert werden. Der transformierte Scheinleitwert ändert sich nach dem Ausdruck:This affects the bandwidth. By creeianete of the transmission ratio, this effect can affect ' Cost of less effectiveness of the short circuit ^ be reduced. The transformed admittance changes according to the expression:
„ .. . 2 πα"... 2 πα
γ _ γ sxn γ _ γ sxn
D aThere
Dabei ist Y_: der Scheinleitwert der Diode in jedem ZustandWhere Y_: the admittance of the diode in each state
d: der Abstand von der Seitenwand a: die Hohlleiterbreited: the distance from the side wall a: the waveguide width
Diese Abmessungen sind in Fig.18 gezeiat.These dimensions are shown in Fig. 18.
Der "Kurzschluß" ist also am wirksamsten, wenn die Diode in der Mitte des Hohlleiters ist, aber die Bandbreite ist dann am geringsten. Bei der Fia.9a war jedoch eine aroße Bandbreite notwendig, und ein qerinaer Kompromiß bezüalich der Wirksamkeit des Kurzschlusses war annehmbar.So the "short circuit" is most effective when the diode is in the middle of the waveguide, but the bandwidth is then the least. In the case of Fig. 9a, however, there was a large one Bandwidth necessary, and a qerina compromise on this the effectiveness of the short circuit was acceptable.
Wenn zwei PIN-Dioden verwendet werden, kann die Bandbreite dadurch vergrößert werden, daß man die Serienresonanzfrequenzen des linken und des rechten Kreises leicht voneinander abweichen läßt.If two PIN diodes are used, the bandwidth can can be increased by slightly increasing the series resonance frequencies of the left and right circles can differ from each other.
Mehrstufige PIN-Diodenschalter sind an sich bekannt, und auf ähnliche Weise läßt sich auch der hier beschriebeneMulti-stage PIN diode switches are known per se, and the one described here can also be used in a similar manner
5 09833/06105 09833/0610
G.F.Craven-29G.F. Craven-29
Schäter für diesen Zweck verwenden. Die Bilder 19 und 21 zeigen Versionen, die für aewöhnliche Hohlleiter bzw. Hohlleiter/ welche unterhalb ihrer Grenzfrecmenz betrieben werden, verwendbar sind.Use Schäter for this purpose. The images 19 and 21 show versions which fo r aewöhnliche waveguide or waveguide / which are operated below their Grenzfrecmenz, are usable.
Beim normalen Hohlleiter, dessen Grenzfrequenz unterhalb der Betriebsfrequenz liegt (Fig.19), sind die einzelnen Stufen S1, S2 und S3 durch eine Viertelwellenlänge cretrennt. Mit Hilfe des bekannten Prinzips der Impedanzinversion kann dieses Netzwerk dann als ein Kettenglied (Fig.20) dargestellt werden, wobei R der Reihenwiderstand und G , der NebenschlußIeitwert ist. Die Dämpfung des ganzen Schalters ist dannWith normal waveguides, the cutoff frequency is below the operating frequency (Fig. 19), the individual stages S1, S2 and S3 are separated by a quarter wavelength. With the help of the well-known principle of impedance inversion, this network can then be used as a chain link (Fig.20), where R is the series resistance and G, the shunt conductance. The attenuation of the whole switch is then
α = nx (dB) ·α = nx (dB)
wobei η die Zahl der Stufen und χ die Dämofung jeder Stufe in dB ist.where η is the number of levels and χ is the attenuation of each Level is in dB.
Bei geschlossenem Schalter sind R ■ und G , jeweils klein.When the switch is closed, R ■ and G are each small.
se snse sn
Bei geöffnetem Schalter sind P und G u beide groß.When the switch is open, P and G u are both large.
se shse sh
Ähnliche Überlegungen gelten für einen Fohlleiter-Schalter, bei dem der Hohlleiter unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird (Fig.21). Dieser enthält drei dielektrische Kondensatoren 30, welche die für die Anpassung erforderlichen konjugiert komplexen Blindwiderstände erzeugen und jeweils mit einer Diodenschaltstufe S versehen sind.Similar considerations apply to a ladder switch, in which the waveguide is operated below its cut-off frequency (Fig. 21). This contains three dielectric Capacitors 30, which generate the complex conjugate reactances required for the matching and are each provided with a diode switching stage S.
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G.F.Craven-29G.F. Craven-29
Das Grundprinzip der Arbeitsweise eines Hohlleiters, der unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird, ist z.B. in "Waveguide Bandpass Filters Using Evanescent Modes" von G.F.Craven in Electronics Letters, Vol.2, No.7 (1966) S.25-26 ausführlich beschrieben. Von G.F.Craven und C.K.Mok wurde in "The Design of Evanescent Mode Waveguide Bandpass Filters for a Prescribed Insertion Loss Charakteristic", I.E.E.E. MTT-19 März 1971, S.295 gezeigt, daß gekoppelte Resonatoren dieser Art auf ein Kettenglied zurückgeführt werden kennen, so daß die in Fig.20 gegebene Darstellung auch für dieses Beispiel gilt.The basic principle of the operation of a waveguide, which is operated below its cut-off frequency, is e.g. in "Waveguide Bandpass Filters Using Evanescent Modes" by G.F. Craven in Electronics Letters, Vol.2, No.7 (1966) pp.25-26 described in detail. G.F.Craven and C.K.Mok wrote in "The Design of Evanescent Mode Waveguide Bandpass Filters for a Prescribed Insertion Loss Characteristic ", I.E.E.E. MTT-19 March 1971, p.295 shown that paired Resonators of this type can be traced back to a chain link, so that the one given in FIG The illustration also applies to this example.
Obwohl das Grundprinzip des Schalters unter der Annahme von statischen Gleich-Vorspannungen geeigneter Größe und Polarität beschrieben wurde, so wird die Vorspannuna bei den meisten praktischen Anwendunaen schnell von einem Zustand in den anderen geschaltet werden. Der Schalter wurde bereits in Systemen verwendet, in denen die !Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich liegen, aber auch dies ist noch weit von der Grenze der Technik entfernt. Die absolute Grenze der Schaltgeschwindiake.it des Schalters ist die Abschaltzeit der Diode, die mit ihrer möglichen Betriebsfrequenz zusammenhängt. Bei niedricren Freauenzen wird eine PIN-Diode normal gleichrichten. Wenn daher eine vergleichsweise niedrige Mikrowellenfreauenz geschaltet werden soll, so muß die Ladungsträaer-Lebensdauer groß, d.h. die Gleichrichtfreauenz relativ niedria sein. DiesAlthough assuming the basic principle of the switch has been described by static DC biases of suitable size and polarity, then the bias voltage becomes in most practical applications quickly from one State can be switched to the other. The switch has already been used in systems in which the switching times are in the microsecond range, but also this is still far from the limit of technology. The absolute limit of the switching speed.it of the switch is the switch-off time of the diode, which is related to its possible operating frequency. With low freaks a PIN diode will rectify normally. If, therefore, a comparatively low microwave frequency is switched on is to be, the charge carrier life must be long, i.e. the rectification frequency should be relatively low. this
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-17- ' ;-17- ';
G.F.Craven-2?G.F. Craven-2?
ergibt eine entsprechend niedrige Schaltgeschvindigkeit. Im vorliegenden Beispiel (1GHz) hat die erforderliche Diode eine Abschaltzeit von 15Ö nanosec., bei 12 GHz läge die Abschaltzeit einer geeigneten Diode etwa bei 10 nanosec. Im allgemeinen wird der Schalter also sehr schnell sein.results in a correspondingly low switching speed. In the present example (1 GHz) the required diode has a switch-off time of 150 nanoseconds, at 12 GHz the switch-off time of a suitable diode would be around 10 nanosecs. In general, the switch so be very quick.
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